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基于有限状态机的欠驱动机器人动态步行

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动态双足步行机器人混沌步态的分析与控制

动态双足步行机器人混沌步态的分析与控制

动态双足步行机器人混沌步态的分析与控制作者：刘丽梅来源：《卫星电视与宽带多媒体》2019年第17期【摘要】在动态双足步行机器人的大腿和小腿质量比取不同值时，分析了斜坡倾角的变化对运动状态的影响。

结果表明，随着斜面倾角的增大，机器人会出现混沌步态。

为了将混沌步态控制收敛到稳定步态，本文基于间歇控制和反馈控制思想，提出了间歇反馈混沌控制。

既提高了能效，又使机器人保持稳定步态。

【关键词】动态双足步行机器人;混沌步态;倍周期步态;间歇反馈混沌控制【基金资助】吉林省教育厅科学研究项目资助（JJKH20180464KJ），吉林财经大学科学研究博士基金项目（2018B13），吉林财经大学校长专项基金项目（08181934）1. 引言动态双足机器人的混沌步态呈现出一种毫无规律的，类似“跛行”的行走状态，有可能引起机器人的倾倒。

因此对动态双足机器人混沌步态的研究既有利于挖掘人类行走的动力学原理，也利于开发和设计假肢等医疗康复设备。

因而对动态双足机器人混沌步态的研究既有理论意义又有应用价值。

动态双足机器人的动力学模型是一个高维强非线性动力系统，里面包含着丰富的动力学特性。

自从Gosiwami和Garcia发现双足机器人步态会出现分岔和混沌现象，众多学者开始对步行机器人的各种分岔和混沌步态展开了深入研究。

刘振泽采用混沌同步控制原理设计了反向同步控制策略和脉冲控制策略，使圆规型被动行走机器人的混沌步态控制收敛到对称的周期步态。

倪修华在摆动腿的足碰地后开始在髋关节施加方波力矩，通过调整控制参数使混沌步态和分岔步态控制收敛到稳定的单周期步态。

虽然有许多种控制混沌步态的方法，但是应用最广泛的方法主要是基于OGY法和基于延迟反馈控制思想（DFC）。

OGY法由于计算简便，控制参数的摄动量小，易于工程实现等优点，被广泛应用于双足机器人倍周期分岔与混沌步态的控制中。

但由于线性化的误差，只能当机器人状态处于自身不动点小的邻域内时，才能保证控制的有效性，因此运用OGY法控制得到的吸引域比较小。

欠驱动双足步行机器人关节控制器设计与实验研究概要

欠驱动双足步行机器人关节控制器设计与实验研究概要

欠驱动双足步行机器人关节控制器设计与实验研究一、引言人类的自然行走过程中,仅在起步的初始时刻给抬起大腿施加步行驱动力,剩余步态充分利用人类自身的重力及其惯性力来移动重心,从而达到自然、高效行走步态,同时人类步行是双脚支撑着身体的作用,而不是对人体各关节和脚运动进行精确的控制。

国外较成功的欠驱动双足步行机器人为康奈尔大学(Conrell)的半被动双足步行机器人,关节控制器选用基于ATS89512芯片的控制器板卡,胯关节位置放置两个直流电机,控制策略采用有限状态机,实现稳定的拟人行走。

麻省理工学院(MIT)的被动双足步行机器人,关节控制器选用PC-104板卡加Linux 实时操作系统,因此在设计欠驱动双足步行机器人关节控制器及选择关节控制策略时,要充分考虑如何实现机器人稳定、精确、实时的控制。

二、机器人关节控制器硬件系统设计从仿生学角度来说,动物的步行本身就体现了一种对步行运动的递阶式控制,而且其控制器官呈现出一种模块化的组织形式。

本文硬件控制系统设计采用智能分级递阶控制设计思想,自下而上的设计思路进行开发,以保证系统开发的可靠性。

系统的各个功能模块分开设计,通过模块间的接口来组合成整个系统,左、右腿由实时控制系统控制器统一控制,上层为实验调试及人机交互界面显示;中层为组织层、协调层。

选用周立功公司开发的SmartARM2300嵌入式Soc(system on chip)智能平台,其核心控制器为嵌入式高端ARM7 LPC2378处理器。

下层:执行层。

直流电机驱动板由两片半桥式BTS7960构成一路驱动电路。

三、机器人关节控制器的控制策略研究双足步行机器人为达到拟人的动态步行,应该具有与人类相似的驱动方式,因此双足步行机器人的骻关节为被控关节,动态步行过程中,仅在初始时刻对机器人骻关节采取力矩控制,剩余步态由机器人固有自然机械特性完成。

欠驱动双足步行机器人关节控制器控制环节结构示意图如图1所示。

3.1 电流采样预处理由于直流电机的驱动方式为PWM定频调压,较小的电感存在,使得电机执行电流产生较大波动,同时由于外界各种干扰的存在,采集的数据偏离其真实数值,为得到真实有效的数据,可以用软件对采样数据进一步做预处理,包括奇异项的剔除、数据的平滑处理。

欠驱动双足机器人行走步态建模与动态行走控制策略研究

欠驱动双足机器人行走步态建模与动态行走控制策略研究

3
周期划分与运动学分析相结合
将步态周期的划分与机器人的运动学分析相结 合，为后续的动态行走控制策略提供基础。
步态相位图绘制
基于运动学模型绘制相位图
01
根据机器人运动学模型，计算每个关节在每个步态周期内的相
位角，进而绘制出相位图。
考虑关节运动相位差
02
在绘制相位图时，充分考虑机器人关节运动相位差对行走步态
通过实际机器人实验验证步态模型的正确性，并根据实验结果进 行模型优化，提高模型的适应性。
步态周期划分
1 2
基于时间序列划分步态周期
根据机器人行走过程中的时间序列数据，将行 走过程划分为多个步态周期，便于对每个周期 进行分析和控制。
考虑不同行走速度的影响
在划分步态周期时，充分考虑机器人行走速度 的影响，使每个周期的划分更加准确和鲁棒。
与控制策略进行优化和改进。
实验结果展示
步态模型验证
通过实验数据验证了所建立的欠驱动双足机器人的步态模型是有效的。在静态行 走和动态行走过程中，实际轨迹与理论轨迹基本一致，证明了模型的准确性。
控制策略评估
在实验过程中，分别测试了基于模型的控制策略和基于学习的控制策略。实验结 果表明，基于模型的控制策略在稳定性、鲁棒性和实时性方面表现较好，而基于 学习的控制策略在复杂环境和未知扰动下具有更好的适应能力。
控制参数调整
根据实验结果和性能指标，不断调整控制器的参数，以实现更 好的行走效果。
硬件在环测试
在仿真环境中对控制器进行测试，确保控制器的可靠性和有效 性。
控制算法实现
01
控制算法选择
02
算法参数优化
03
算法实现平台
选择适合欠驱动双足机器人的控 制算法，如基于李雅普诺夫稳定 性理论、基于最优控制理论等。

欠驱动双足行走机器人

欠驱动双足行走机器人

摘要上世纪八十年代，加拿大学者T.McGeer提出了被动动力学理论，并由此有了“机器人被动行走”的概念。

T.McGeer设计了一类简单的双足无动力行走机器人，其行走是在小倾角斜面上由上而下靠自身重力驱动实现的。

T.McGeer对其被动机器人模型行走动态和稳定性进行了研究，由此开启了双足行走机器人研究的有一领域——欠驱动机器人。

无动力双足机器人动力特性的研究有助于揭示人类双足行走的内在机理，解释人类行走稳定性、鲁棒性、高效率的原因。

本文首先对Goswami提出的compass-like机器人模型进行了建模，给出了机器人行走过程中摆动阶段和碰撞阶段的动态方程的具体形式，在状态空间相平面上详细阐述了典型行走的周期过程，对其行走过程中的能量变化以及影响稳定极限环形成的参数进行了分析与仿真实验。

然后运用Garcia提出的摆动阶段的非线性微分方程进行二次线性化分析方法研究了初值的解决方法。

为了解释双足被动机器人的步态稳定性问题，我们从动力学的角度，提出了庞加莱映射的分析方法，给其步态行走极限环性稳定性进判定方法和局部稳定性分析。

本文的研究重点是欠驱动双足行走机器人的控制策略。

欠驱动机器人的控制策略主要采用基于反馈的控制原理，由于欠驱动机器人行走的非线性特性，故用非线性控制理论来实现控制策略。

目的是通过增加控制策略，改善机器人步态行走极限环的稳定性，即扩大其收敛域，提高收敛速度。

本文重点研究了四种常用控制策略，即：基于能量的控制方法、角度不变的控制方法、基于能量的角度不变控制方法、基于能量行走平均速度控制方法。

欠驱动机器人行走的控制方法是对人类行走控制的简化与模拟，因此他对仿人型双足机器人控制方法的研究具有重要的意义。

本文主要对前人的控制方法加以论述，在前人研究的基础上又进行了控制方法的深入分析和研究。

本文的研究对双足机器人行走控制策略理论的研究有一定的帮助。

最后，在总结全文的基础上，同时提出了若干有待深入研究的问题。

欠驱动步态行走机器人基于反相同步的脉冲控制策略_李勇[1]

欠驱动步态行走机器人基于反相同步的脉冲控制策略_李勇[1]

Ｉ ｍ ｕ ｌ ｓ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍ ａ ｓ ｓ ｌ ｉ ｋ ｅ ｂ ｉ ｅ ｄ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ － ｐ ｐ ｐ ｐ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ａ ｎ ｔ ｉ ｈ ａ ｓ ｅ ｓ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ －ｐ ｙ
参数确定后 ， 机器 人 极 限 环 参 数 唯 一 取 决 于 斜 面
］ ２ ４ － 。 倾角 ［
本文首先利用先期研究提出了反相同步的控
５］ ， 制思想 ［ 将作用 在 机 器 人 上 的 重 力 矩 与 控 制 扭
矩的合力矩等效 为 垂 直 机 器 人 行 走 斜 面 、 方向向
增刊 ２
李 勇， 等： 欠驱动步态行走机器人基于反相同步的脉冲控制策略
１ ２ １ １ ， Ｌ Ｉ Ｙ ｏ ｎ ＤＵ Ｑ ｉ ａ ｏ ｌ ｉ ｎ Ｌ Ｉ Ｕ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｚ ｅ Ｌ Ｉ Ｕ Ｆ ｕ － － ｇ， ｇ，
（ １． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ Ｃ ｏ ｍｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｉ ｌ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｈ ａ ｎ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ ２ ２，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ；２． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｇ ｆ ｇ ｇ，Ｊ ｙ，Ｃ ｇ ｇ ｆ
·２ ９ ３·
下的虚拟重力场 ， 使机器人的双腿成为两个独立 的具有单摆运动规律的相同子系统 。 其次给出加 构造出加入脉冲量后的控制系统 入脉冲的描述 ， 模型并进行方程 简 化 ， 使机器人的两条腿可单独 作为受迫运动的混沌单摆系统进行研究 。 然后构 造已加入控制脉冲的 Ｃ ａ ｉ ｔ ｏ ｍ ａ ｓ ｓ ｂ ｉ ｅ ｄ 模型 ｇ ｐ ｐ 确定加 系统 方 程 的 Ｌ ａ ｕ ｎ ｏ ｖ 函 数。 通 过 论 证， ｙ ｐ

基于有限状态机的欠驱动机器人动态步行

基于有限状态机的欠驱动机器人动态步行
Ｍ（ Ｏ ） ＝ ｍ ｏ） 一 丑
＝
其 中，８ ： 【 ｑ Ｂ 】 分 别 为 支撑 腿 、摆 动 腿 、 摆 动 腿 小 腿 与 竖 直 方 向 的夹 角 ， 描 述 了 机 器 人 位 姿 ； 惯 性 矩 阵 Ｍ（ 目 ） 为３ ×３ 对 称阵 ， ｃ （ ｏ ） 、ｇ （ Ｏ ） 分别为 ３ ×３ 、３ ×ｌ 矩阵 ；Ｂ （ 、 “ ： … ｒ 分 别 是 支 撑 腿 踝 关 节 、髋 关 节 、摆 动 腿 膝 关 节 力矩 ， 其 中 ：
图３ １ 机 器 人 步 态 模 式 及 转 换 图
Ｍ＝ Ｃ Ｏ ，
… ｑ， ｚ ）
（ ２ ． １ ）
（ ３ ． １ ）
其 中 ， 丑是 碰 撞 过 程 中 的 脉 冲 作 用 力 ， ［ ｏ ， １ ， 一 １ ］ 。膝 关 节 碰 撞 过 程 中 ， 机 器 人 状 态 满足 约束条件 ＝ ０ ， 且 Ｍ（ Ｏ ） ＝Ｍ（ Ｏ） ： Ｍ（ 目 ） 七 由于机 器 人 姿 态 不 发 生变 化 ， 即０ ： ０ 一 ＝ 目 ） ， ● （ Ｏ 一 所 以～ ， １ Ｏ ● ● ● ● ● ● ● ｊ ＇ ０ ＝ 一 （ ） 。 丑 （ ３ ． ２ ） 一 因此 ， Ｊ ： Ｊ 一 ， （ ＾： ０。 膝 关 节 碰 撞 中 ，机 器 人 各 关 节 处 的 脉 冲 约 束 力 为 ：
Ｉ 一 科研筮 …………………………一
基于有 限状态机 的欠驱动机器人动态步 行
Ｔｈｅ Ｄ ｙｎａ ｍｉ ｃ Ｗ ａ ｌ ｋ ｉ ｎｇ Ｒ ｏｂｏ ｔ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ｉｎｉ ｆ ｔ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｍ ａ ｃ ｈｉ ｎｅ
吉林广播 电视 大学 宿 建 乐
１ 引言
ห้องสมุดไป่ตู้欠 驱 动双 足 步 行机 器 人 的步 态 行 走模

基于遗传算法的欠驱动机器人运动规划

基于遗传算法的欠驱动机器人运动规划

基于遗传算法的欠驱动机器人运动规划
刘庆波;余跃庆;王浩
【期刊名称】《控制工程》
【年(卷),期】2008(15)1
【摘要】研究了平面欠驱动机器人的非完整运动规划问题,建立欠驱动机器人系统动力学模型,提出了一种利用遗传算法(GA)解决欠驱动机器人运动规划的方法。

引入部分稳定控制器的思想,提出基于能量最优的评价函数,利用遗传算法对评价函数进行离线优化,得到有关部分稳定控制器的切换规则。

此方法可以推广到任意平面欠驱动机器人的规划问题上,以平面3R欠驱动机器人为研究对象进行了数值仿真,仿真结果验证了该方法的有效性。

【总页数】4页(P64-67)
【关键词】运动规划;欠驱动;非完整系统;遗传算法
【作者】刘庆波;余跃庆;王浩
【作者单位】北京工业大学机电学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP24
【相关文献】
1.基于样条逼近与曲线拟合的欠驱动仿生机器人运动规划 [J], 厉虹;张甜
2.基于遗传算法的欠驱动双足机器人步态优化设计 [J], 师名林
3.基于遗传算法的欠驱动机器人避障规划与轨迹跟踪 [J], 刘庆波;余跃庆;苏丽颖
4.欠驱动刚体航天器姿态运动规划的遗传算法 [J], 戈新生;陈立群;刘延柱
5.一种基于遗传算法的欠驱动机器人避障运动规划新方法 [J], 刘庆波;余跃庆;苏丽颖
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欠驱动双足机器人动态步行规划与抗扰动控制

欠驱动双足机器人动态步行规划与抗扰动控制

欠驱动双足机器人动态步行规划与抗扰动控制仿人机器人是最有希望成为在人类生活和工作的环境中服务于人的机器人类型,其一直是机器人领域的研究热点。

尽管近年来仿人机器人研究取得了巨大进展,但就目前的发展水平看,还远没有达到能够实际应用的要求,主要原因之一就是机器人的快速动态运动能力和抗扰动能力都较差。

对于欠驱动双足机器人,由于不存在支撑域概念,因此无论是稳定站立还是动态步行,其始终都处在一个动态稳定的状态中。

本文以欠驱动双足机器人为研究对象,可以避免传统基于稳定域规划方法和思维的限制,充分发掘双足机器人的快速运动能力和动态稳定能力,并为仿人机器人的动态步行规划和抗扰动控制提供新的思路。

本文以快速和动态稳定为目标,研究欠驱动双足机器人的动态步行规划和抗扰动控制问题,主要研究内容包括：1.基于虚拟力控制方法对欠驱动双足机器人进行运动建模。

首先将欠驱动双足机器人分为欠驱动平面双足机器人和欠驱动仿人机器人,针对不同状态相分别进行虚拟力控制建模,并分析欠驱动特性导致的虚拟力之间约束关系,建立虚拟力与支撑腿关节力矩之间换算关系,研究双腿支撑时各腿分虚拟力的合成与分配问题。

2.基于髋策略实现欠驱动平面双足机器人的站立抗扰动控制。

首先基于足底欠驱动引起的虚拟力之间的约束关系,以身体恒高和恒姿态控制为优先目标,建立前向运动方程并求解,构建前向运动的相变图并定义稳定轨道用来描述稳定状态的集合。

按照外力作用的位置将扰动分成3种情况,并基于髋策略分别规划对应的3种开环控制方法,可以在身体水平稳定状态和直立姿态都受影响的情况下,同时完成水平方向的平衡控制和直立姿态恢复。

3.研究欠驱动平面双足机器人的动态行走规划和抗扰动控制问题。

首先对单腿支撑相和双腿支撑相的水平运动规律进行分析,参考人的行走步态公式建立行走速度和单步步长／周期之间的关系,并在相变图上规划期望行走速度对应的水平运动轨迹。

基于落脚点调整策略研究行走速度控制,通过对当前步的末速度进行估计并实时计算和调整落脚点以完成前向运动的实时闭环控制,并天然具有抗扰动控制能力。

基于有限状态机理论的多节机器人运动步态分析

基于有限状态机理论的多节机器人运动步态分析

基于有限状态机理论的多节机器人运动步态分析
宋一然
【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2006(045)001
【摘要】基于蚯蚓生物体运动原理研制了一种新型多节蠕动微小型机器人.机器人由5节铰链式结构组成,其外形直径约6.8 mm,长度约110 mm,介绍了该类机器人的机体构造和运动原理.在详细阐述有限状态机理论方法的基础上,建立了机器人的运动步态分析数学模型,并进行了单个行进波模式和任意行进波模式下改变机器人运动方向的机器人运动步态仿真分析.结果表明,该方法可用于分析该类机器人运动步态的可行性和所建立模型的正确性,从而为研究该类多节机器人系统的运动步态问题提供了理论依据.
【总页数】4页(P47-50)
【作者】宋一然
【作者单位】莆田学院电子信息工程系,福建,莆田,351100
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.四足爬行机器人步态分析与运动控制 [J], 陆卫丽;卞新高;焦建;朱灯林
2.仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合建模运动步态分析 [J], 岳映章;葛文杰;柏龙
3.膝关节康复机器人设计中人体运动的特点及步态分析 [J], 李仲毅
4.基于有限状态机(FSM)的多传感器信息融合在轮式运动机器人编程中的应用∗ [J], 徐伟
5.仿生四足机器人的设计与运动步态分析 [J], 麦杨杰; 袁泓博; 郭建; 庞晓文
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欠驱动双足机器人动态步态规划方法研究

欠驱动双足机器人动态步态规划方法研究

欠驱动双足机器人动态步态规划方法研究
绳涛;程思微;王剑;马宏绪
【期刊名称】《计算机工程与应用》
【年(卷),期】2009(45)6
【摘要】以欠驱动双足机器人为对象研究其周期稳定的动态步态规划方法.首先建立欠驱动双足机器人的混杂动力学模型,然后采用时不变步态规划策略对机器人步态进行规划,并研究周期步态的收敛条件.步态参数直接决定周期步态的稳定性,采用遗传算法,以能耗最优为目标,以限制条件为约束对步态参数进行选择和优化.最后通过虚拟样机对机器人的行走过程进行动力学仿真.实验表明规划步态收敛于稳定的极限环,实现了高速动态步行,该规划方法是可行的.
【总页数】5页(P1-4,97)
【作者】绳涛;程思微;王剑;马宏绪
【作者单位】国防科技大学,机器人实验室,长沙,410073;国防科技大学,机器人实验室,长沙,410073;国防科技大学,机器人实验室,长沙,410073;国防科技大学,机器人实验室,长沙,410073
【正文语种】中文
【中图分类】TP24
【相关文献】
1.基于遗传算法的欠驱动双足机器人步态优化设计 [J], 师名林
2.双足机器人步态规划方法研究 [J], 李攀;魏洪兴
3.双足机器人在动态环境中步态规划研究 [J], 于薇薇;C.Sabourin;K.Madani;闫杰
4.双足机器人动态步态规划 [J], 陈磊;张国良;张维平;敬斌
5.基于步态切换的欠驱动双足机器人控制方法 [J], 葛一敏;袁海辉;甘春标
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基于反步法的欠驱动UUV空间目标跟踪非线性控制方法研究

基于反步法的欠驱动UUV空间目标跟踪非线性控制方法研究

基于反步法的欠驱动UUV空间目标跟踪非线性控制方法研究一、本文概述随着海洋资源的日益开发和利用，水下无人航行器（UUV，Unmanned Underwater Vehicle）在海洋探测、资源开采、环境监测等领域的应用日益广泛。

欠驱动UUV，即其运动控制中驱动装置数量少于所需独立控制运动模态数量的UUV，由于其结构简单、成本低廉等优点，成为了研究热点。

然而，欠驱动UUV的空间运动控制是一个复杂的非线性问题，尤其在执行空间目标跟踪任务时，需要解决动力学模型的复杂性、环境干扰、模型不确定性等难题。

针对上述问题，本文提出了一种基于反步法的欠驱动UUV空间目标跟踪非线性控制方法。

反步法是一种非线性控制设计方法，通过构造一系列递推的控制Lyapunov函数，将复杂的非线性系统分解为一系列易于处理的子系统，从而设计出使系统稳定且满足性能要求的控制器。

本文首先建立了欠驱动UUV的空间运动模型，然后利用反步法设计了非线性控制器，使得UUV能够准确跟踪空间目标。

本文的主要内容包括：对欠驱动UUV的空间运动模型进行详细描述，并分析其非线性特性和控制难点；介绍反步法的基本原理及其在非线性控制设计中的应用；然后，详细阐述基于反步法的欠驱动UUV 空间目标跟踪非线性控制器的设计过程，包括控制器的稳定性分析和性能验证；通过仿真实验验证所提控制方法的有效性，并与其他控制方法进行比较分析，展示其优越性和适用性。

本文的研究不仅对欠驱动UUV的空间运动控制具有重要的理论意义，而且对于推动UUV在海洋探测、资源开采等领域的实际应用具有积极的推动作用。

通过本文的研究，希望能够为欠驱动UUV的空间目标跟踪控制提供一种新的有效方法，并推动相关领域的进一步发展。

二、欠驱动UUV运动模型与空间目标跟踪问题描述欠驱动水下无人航行器（UUV）是一种在海洋环境中执行各种任务的自主或遥控设备。

与全驱动UUV相比，欠驱动UUV通常只配备有限的推进器和控制系统，使得其在水下运动中面临更多的挑战。

基于有限状态机的宠物机器人行为建模

基于有限状态机的宠物机器人行为建模

基于有限状态机的宠物机器人行为建模
许井泉;梅涛
【期刊名称】《机电一体化》
【年(卷),期】2006(12)6
【摘要】宠物机器人的行为是机器人扮演宠物的重要内容。

对宠物机器人行为的研究并进行有效的建模仿真,有助于提高宠物机器人的功能以及机器人的研制。

目前尚无针对该领域的专门研究和专项理论。

该文阐述了基于有限状态机理论(FSM),利用MATLAB中Stateflow工具箱对宠物机器人的行为进行统一的描述和建模的方法,并以步态行为为例进行了具体描述和建模,对宠物机器人行为领域的研究作了有效尝试。

基于该方法的成果为进一步联合仿真分析提供了简洁的状态逻辑策略。

【总页数】3页(P29-31)
【关键词】宠物机器人;有限状态机;行为建模
【作者】许井泉;梅涛
【作者单位】中国科学院合肥智能机械研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于有限状态机的作战实体模型行为规则可视化建模研究 [J], 孙鹏;谭玉玺;汤磊
2.基于有限状态机的作战实体模型行为规则可视化建模 [J], 孙鹏;谭玉玺;汤磊
3.基于有限状态机的足球机器人行为设计与综合 [J], 贾建强;陈卫东;席裕庚
4.基于UPPAAL的认知机器人控制行为建模与验证 [J], 巩卫卫;王瑞;李晓娟
5.基于行为建模的机器人示教方法的研究与设计 [J], 李韬
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基于IMU惯性传感器的人体运动模式识别算法

基于IMU惯性传感器的人体运动模式识别算法

基于IMU惯性传感器的人体运动模式识别算法摘要运动模式识别是实现外骨骼人机协同控制决策的核心关键技术。

提出一种基于有限状态机的人体运动模式识别算法，构建有限状态机模型，通过人体姿态信息时域特征进行模式识别，并开展试验验证，试验表明,典型复合地形条件下连续运动模式识别率达到95.5%，算法性能良好，满足外骨骼智能控制的基本应用。

主题词 IMU 有限状态机外骨骼运动模式识别1引言外骨骼系统是一种典型的人机共融协同一体系统，可将人的智能与机器承担负载的能力有效结合起来，以增强人的运动及负重能力[1]。

运动模式识别是实现外骨骼机器人的人体协同控制决策、安全稳定行走的关键，对于运动模式识别的研究主要有两类方法：1）基于视频图像的识别方法；2）基于穿戴式装置的识别方法，采用传感器设备，如加速度计、陀螺仪等组成姿态检测系统检测人体运动信息[2]，该类方法因其成本低、隐私性好等特点，在外骨骼研究领域得到广泛研究与使用。

现有研究主要是针对单运动模式进行识别，对于典型复合地形条件下连续运动模式识别研究少且精度低，不能满足外骨骼智能控制的基本应用。

本文基于IMU惯性传感器搭建人体运动信息采集系统，通过构建的人体运动模式识别模式实现连续多模式的准确识别，该识别方法复杂度低，延时小，且考虑了不同运动模式切换的情况，识别效果好。

2基于有限状态机的人体运动模式识别策略2.1 人体运动模式转移规划外骨骼系统考虑的运动模式主要是人在日常行走运动过程中经常出现的运动行为，包括站立、行走、上楼梯、下楼梯、跑步、大跨步、下蹲等7种运动模式。

外骨骼系统辅助人体运动时，上述运动模式在时序上是呈现自状态转移与他状态转移两种情况，此外，在构建行为模式状态转移模型时，同时考虑人体运动行为的习惯性与外骨骼助力的安全性，规定人体运动模式转移规划如图1所示，只要确定当前运动模式，即可通过模式转移条件判断下一时刻的运动模式。

图1人体运动模式转移规划2.2 基于有限状态机的人体运动模式识别模型有限状态机（FSM，Finite State Machine）是表示系统中有限多个状态以及在这些状态之间转移和动作等行为的数学模型[3]。

基于有限状态机的半自动机器人的软件设计

基于有限状态机的半自动机器人的软件设计

软件设 计上要 求很 高的鲁棒 性 【 。 ・ ］ 鉴 于此 ，本文介 绍了 一种 半 自动 机器 人软 件 设 计方 法 ，通 过 引入有 限状态 机 理论 ，对 原 自动 机器 人 的行 为进 行建 模 ，将 其分 解 为一 系 列独 立离 散 的 行为 ，使 其行 为 更容 易 为人 控 制与 调整 。于 以往方 法相 比 ，该 方法 简化 了机器 人软 件 的设 计 ，降低 了 机器人维护调整 的难度 ，有助于理清 程序员对机器人 行为 的控 制 思路 ，同时将 该设 计 方法 应 用在 了Ａ Ｕ Ｂ Ｒ ＯＣ Ｎ２ １ 大赛 的手 动机 器人软件 设计上 ，在赛 ＯＢ Ｏ ０ ０ 事 中取得 了很好 的效果 。
输 入 共 同决 定 。
运用有限状态机建镆
２ １Ａ ＵＲ ＢＣ Ｎ０ 大赛 手 动 机器 人 部 分规 则 简 介 ． Ｂ ＯＯ Ｏ ２ １ ０
有 限状 态机 是一 个五 元组 Ｍ ：（ ∑， ， Ｑ， ， ，），其 中 ：
Ｑ： 状态的非空有限集合 ，Ｖｑ ∈ｐ， ｑ 称为
的一 个 状 态 。
∑ ：输入事件 ，Ｖａ∈∑ ， 盘 为 的一个输 称
入事件 。
：状杰转移函数，对Ｖ（，） ｇａ ∈ｐ× ， ∑
（ ， Ｐ羡示 状态 ９ ｇ ） 读入事件 ａ，将状态 ９
机 器法老 修建金 字塔是本届 比赛的主题 。这个主 题是想用虚拟 的时间机器把古埃及大金 字塔建设者带 到仿 照吉萨金 字塔 的实际位置搭 建的 比赛场地上 。目 标是逐个建成三座金字塔 （ 图１ 如 所示 ，从下至上胡 夫 、海夫拉和 门卡 乌拉 ）。 比赛场地 由两个 自动区、一个 手动区和三个 金字 塔组成 。其 中手动机器人 负责 的是胡夫金字塔 ，一共 有 四层 ，第一层和第二层上要放置３ 块积木 ，第三层 要放置１ 块积木 ，第 四层放置金顶 （ 图２ 如 所示） ，比 赛开始前 ，手动机器人最 多可预装４ 块积木 ，其余积

一种柔性地面上3D欠驱动双足机器人动力学模型计算方法[发明专利]

一种柔性地面上3D欠驱动双足机器人动力学模型计算方法[发明专利]

专利名称：一种柔性地面上3D欠驱动双足机器人动力学模型计算方法
专利类型：发明专利
发明人：姚道金,程宵,王晓明
申请号：CN201910972937.8
申请日：20191014
公开号：CN110704984A
公开日：
20200117
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及机器人技术领域，提供了一种柔性地面上3D欠驱动双足机器人动力学模型计算方法，该方法针对柔性地面上的3D欠驱动双足机器人，对其单足支撑项和双足支撑项均进行了动力学模型计算。

相比于以往的动力学模型计算方法，本发明所提出的动力学模型计算方法充分考虑地面柔性，机器人步行过程由一个连续的单足相和一个非瞬态的双足相顺序组成，步行系统为一个分段连续的动态系统，使得3D欠驱动双足步行机器人动力学模型更加接近实际情况，从而便于实际应用。

申请人：华东交通大学,程宵
地址：330013 江西省南昌市双港路808号
国籍：CN
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基于样条逼近与曲线拟合的欠驱动仿生机器人运动规划

基于样条逼近与曲线拟合的欠驱动仿生机器人运动规划

基于样条逼近与曲线拟合的欠驱动仿生机器人运动规划
厉虹;张甜
【期刊名称】《北京信息科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(026)004
【摘要】研究欠驱动六足仿生机器人简化模型(RRRobot)运动规划问题.根据RRRobot动力学模型,以能量损耗最小为目标,提出将曲线拟合和样条逼近技术与粒子群优化方法结合的算法,对RRRobot运动规划进行优化.仿真实验结果表明,所提出的算法对解决运动规划的优化问题是有效的,对RRRobot模型终端位形的误差有明显的改善作用.
【总页数】6页(P21-26)
【作者】厉虹;张甜
【作者单位】北京信息科技大学自动化学院,北京100192;北京信息科技大学自动化学院,北京100192
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.基于正则渐进迭代逼近的自适应B样条曲线拟合 [J], 刘明增;郭庆杰;王思奇
2.基于B样条曲线拟合非平稳目标运动轨迹的水声数据仿真方法 [J], 徐雅南
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4.基于线性规划和带重节点三次样条的Lorenz曲线逼近方法 [J], 梁英;杨含;李强;
梁学章
5.基于最优节点样条逼近的水泵特性曲线拟合方法 [J], 张林;徐辉;于永海
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机器人摆动腿发生膝关节碰撞和脚跟碰撞过 程，状态Ⅱ和状态Ⅳ为机器人摆动腿摆动过 程。每个阶段中的两个状态都需要不同的数 学模型描述，其中状态Ⅰ和状态Ⅲ为相同离 散动态子系统，状态Ⅱ和状态Ⅳ为相同连续 动态子系统，机器人行走步态的混合特性更 为明显[51]。一个步态周期中不同动态模式及 其切换的过程如图3.1所示。 状态Ⅰ和Ⅲ中，摆动腿伸直，大腿和小 腿具有相同的角度，即满足膝关节碰撞条件 1 ( x1 ) 0 。锁死机构将膝关节锁死，使大腿和 小腿保持伸直状态，机器人变为一个二连杆 机构。膝关节碰撞是一个离散事件过程，机 器人的空间姿态保持不变，而速度发生突 变，满足角动量守恒关系（机器人关于支撑 腿末端、摆动腿关于髋关节的角动量分别守 恒），机器人的状态变化关系可以描述为 x2 1 ( x1 ) 。碰撞前后机器人角度之间的关系 ， q 、 q 分别为2×3与3×3矩 q 为 q (2) 阵，其具体表达式可以由角动量守恒关系得 到。由于膝关节锁死，摆动腿大腿与小腿的 角度与角速度相等， 2 3 、 ，且碰撞后 机器人减少一个自由度，可以看作是二连杆 Compass-like双足被动机器人，膝关节碰撞 前后机器人角速度之间满足关系方程为： M ( ) J T M ( ) (3.1) i i 其中， i 是碰撞过程中的脉冲作用力， J i [0,1, 1] 。膝关节碰撞过程中，机器人状态 满足约束条件 J i 0 ，且 M ( ) M ( ) M ( ) (由于机器人姿态不发生变化，即 )， 所以， M ( ) 1 J T (3.2) i i 因 此 ， J i J i J i M ( )1 J iT i 0 。 膝 关 节 碰撞中，机器人各关节处的脉冲约束力为： i X i1 J i (3.3) 其中， X i J i M ( )1 J iT ，上标“--”表示系 统碰撞前的状态。 摆动腿与地面的碰撞过程，同样是一个 离散事件过程。碰撞前后，机器人姿态的关 ，上标“-”、“+”分别表示碰 系为 J1(2)
他大型器件的使用寿命。表7所示为大型真 空电容及大型器件温度比较。 根据全台真空器件损坏情况统计，在用 DSB方式播出的五个月电容损坏八只，电子管 损坏两只；在用DCC方式播出的五个月统计， 电容损坏九只，电子管损坏一只，损坏的电 子管其使用寿命均已超过额定使用寿命，电 容损坏的原因有：击穿、漏水、性能下降 等。其中10月份采用DCC播出的A机房损坏的 四只电容有一只为指数线固定补偿电容因馈 线落鸟引起指数线打火损坏，一只为电容漏 水所至，两只击穿，且上述四只电容均已超 过使用寿命。从统计数据来看未出现异常真 空器件损坏情况，均属于正常损耗。
2 3
其 中 ， 分 别 为 支 撑 腿 、 摆 动 腿、摆动腿小腿与竖直方向的夹角，描述了 机器人位姿；惯性矩阵 M ( ) 为3×3对称阵， C ( ) 、 g ( ) 分别为3×3、3×1矩阵； B(q ) 、 u u u u 分别是支撑腿踝关节、髋关节、摆 动腿膝关节力矩，其中：
T 1 2 3
T 1 2 3
1 1 0 B( ) 0 1 1 0 0 1
图3.1 机器人步态模式及转换图
图4.1 机器人步行状态流程图
撞前后机器人的姿态， J1
图2.1 有限状态机状态流程
其中， Q —是一个有限的状态集合； ∑—表示该系统能接收的所有事件的集合； 转移函数 —— Q Q ，称为状态转移函 数，它描述了系统中每个状态转换到其它状 态的可能性，只要该事件发生，就会发生转 换；常用定义式 (q1 , a) q2 表示在 q1 状态下接 收事件a之后，转入指定的新状态 q2 ； q0 Q ——系统的一个特殊状态，一般是系统启动 时的初始状态； Z Q ——是终结状态的集 合。 3.机器人步态划分 欠驱动双足步行机器人稳定行走的状态 划分大体上分为左右腿摆动阶段，每一个阶 段包括两个状态示。其中状态Ⅰ和状态Ⅲ为
011 100
T
，
行状态分析流程图 本文针对欠驱动双足步行机器人在动 态步行过程中，所表现出来的离散动态子系 统和连续动态子系统的特点，采用基于有限 状态机理论，对机器人的稳定步行进行了步 态划分。欠驱动双足步行机器人的质量集中 在上体，基本上可以看作是倒立摆模型的特 点，执行电机在机器人摆动腿膝关节解锁后 （膝关节的向后弯曲使摆动腿小腿抬高，避 免与地面的接触，并能更方便地跨越障碍 物），通过传动机构输入骻关节一个力矩， 膝关节在机器人摆动后的200ms，进入锁死 状态，机器人摆动腿剩余动作过程充分利用 机器人的惯性，达到稳定性、拟人自然步 态。通过欠驱动双足步行的理论仿真得出机 器人摆动过程中髋关节摆动角度变化范围一 般应在（-15o～15o）。基于有限状态机的欠 驱动双足步行机器人的动态步行实现流程图 如图4.1所示。
播音 模式 DSB DCC1/6 DCC2/6 DCC3/6 V1管 (℃) 60 58 57 50 V2管(℃) 中 35 34 33 30 C133 (℃) 33.5 30 30 29 C250 (℃) 34 31 29 25
四、节能降耗电量分析 浮动载波技术在保证边带功率不变的情
C251 (℃) 30 32 30 23 C252 (℃) 36 32 28 30 C261 (℃) 36 33 29 30 C262 (℃) 37 34 30 31 C271 (℃) 48 44 41 39 C275 (℃) 46 43 41 40
表7 大型真空电容及大型器件温度比较表 上 32 30 30 30 下 90 88 85 82
表9 TSW2500发射机试验浮动载波用电量分析报表 机号/月份 B机房 A机房 总用电量(度) 播出时间(小时) 平均电量(度/小时) 总用电量(度) 播出时间(小时) 平均电量(度/小时) 1月 1945267 2170 896.44 1403638 1860 754.64 2月 1566040 2001 782.63 1172375 1802 650.60 3月 1821290 2184 833.92 1461633 2167 674.50 4月 1418510 1637 866.53 1193060 1726 691.23 5月 1363530 1534 888.87 1264706 1783 709.31 6月(1/6) 1149760 1607 715.47 881790 1662 530.56 7月(2/6) 1230420 1791 687 957694 1881 509.14 8月(3/6) 1197820 1750 684.47 928897 1876 495.15 9月(3/6) 1142620 1817 628.85 854931 1833 466.41 10月(3/6) 1259130 2027 621.18 859448 1955 439.62 11月(3/6) 1172960 1932 607.12 778468 1799 432.72
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5.连续步行实验 欠驱动双足步行机器人PADW-JLU II原型 机，在完成控制系统的设计后，经多次机器人 平地行走实验后，通过人的先验知识积累，调 节机器人各状态运动参数，在人为较小的辅 助下，完成了动态、稳定、高效拟人行走。 实现了机器人5步稳定行走(实验场地和设备限 制)，机器人步行速度约为0.64m/s，步频约为 1.1s/步。 由于使用串口收发软件的限制，取回机 器人动态步行前4步的实验数据，可以反映 出原型机机构和控制系统设计的合理性。机 器人各状态的控制力矩如图5.1所示，控制 系统给定力矩与跟随力矩如图5.2所示，机 器人骻关节角度变化图如图5.3所示，机器 人左右膝关节角度变化图如图5.4所示。
图5.1 机器人状态控制力矩输入曲线
图5.4 机器人膝关节角度变化
(上接第79页) 是，长时间工作在高电压、 高温度的高频电磁环境中，在DSB全功率的 条件下，电容的损坏率较高，在采用DCC模 式下，载波状态DCC载波电压分别是DSB的 89%、79%、71%，只有当100%调制时，最大电 压才与DSB相同，低调幅时均低于DSB。
1.引言 欠驱动双足步行机器人的步态行走模 式，是在机器人动态步行的没一个阶段，实 现机器人的稳定平衡，双足步行机器人的稳 定重心有可能出现在脚部对地面投影的外 部，也就是出现静态不平衡的状况。从驱动 机器人步行的能量给予方面考虑，欠驱动双 足步行机器人，能够同人类步行相一致的效 果，即利用自身的重力和系统的惯性使机器 人的重心发生移动。传统的双足步行机器人 使用ZMP稳定判据实现的轨迹规划方法，将 不适用于欠驱动双足步行机器人。由人类的 步行状态分析，欠驱动双足步行机器人的周 期性步行，可以分为半驱动式的单摆阶段和 脚部碰撞阶段组成，因此其步行状态属于一 个连续和离散的混合系统。有限状态机的理 论是计算机应用科学技术与数学的抽象，将 数学上的离散输入输出系统的数学模型，符 合欠驱动双足步行机器人的稳定动态步行。 2.有限状态机数学模型 下面给出有限状态机的形式化定义。定 义，一个确定的有限状态自动机M是一个五 元组： M (Q, , , q0 , Z ) (2.1)
6.结论 首先对有限状态机的基础理论作了扼要 介绍，在分析欠驱动双足步行动态步行特点 后，对机器人步行阶段进行了阶段划分。通 过机器人步态运动实验数据证明，PADW-JLU II原型机，在实验人员较小的辅助下，完成 的自然、拟人步态，其能量效率接近人类， 同时有利于证明被动动力学理论的正确性。
图5.2 左腿状态给定力矩与跟随力矩比较 参考文献 [1]田彦涛.欠驱动步行机器人运动学机理与控制方法 研究[J].中国科技成果,2010,11(2). [2]Collins S H,Ruina A,Tedrake R,Wisse M.Efficient bipedal robots based on passive dynamic walkers[J]. Science Magazine,2005,307:1082-1085. [3]黄杨明.基于有限状态机理论的导航软件设计与实 现[D].长沙:国防科技大学研究生院,2006. 图5.3 机器人骻关节角度变化 [4]马宏绪.两足步行机器人动态步行研究[D].国防科 技大学研究生院,1995,4. [5]付成龙,陈恳.双足机器人稳定性与控制策略研究 进展[J].高技术通讯,2006,16(3):319-324. 作者简介： 宿建乐（1983—），男，吉林长春人，硕士研究 生，助教，研究方向：复杂系统建模及控制。